STEM理念在化学实验教学中的应用

李玮 胡康妮 梁早东

摘 要：STEM是科学、技术、工程和数学四门课程的简称，强调多学科的交叉融合，旨在培养学生在科学、技术、工程及数学等方面的综合素养，解决综合性的实际问题。本文以人教版化学选修二“人工固氮技术—合成氨”为例，从合成氨的反应原理，合成氨的最佳反应条件，合成氨的基本生产过程以及合成氨的工业发展四个方面，将STEM理念渗透到教学设计中，促使学生综合运用多种学科知识，以期更好地培养学生的创新精神、实践能力及综合素养。

关键词：STEM理念;中学化学教学;合成氨;教学设计

STEM代表科学、技术、工程和数学这四门学科英文首字母的缩略词。化学课程的STEM整合理念旨在将以化学内容为主，STEM中包含的科学、数学、技术等知识为辅，将各学科知识置于有吸引力的工程情境中。“人工固氮技术—合成氨”选自人教版高中化学选修2《化学与技术》第一单元中的内容，在课本内容的基础上，本设计又增加了“探索合成氨的最佳条件”。合成氨工业是重要的化学工业之一，对生产和生活有着重要意义，同合成氨的反应也是在必修教材中学习到的一个重要的、典型的平衡体系，涉及到反应过程中速率问题以及反应的限度。在本課学习中，学生既可以联系原有知识和生活实际来学习合成氨的工业制取，包括原料气的获取、净化，反应中条件的选择（从反应速率和反应限度两方面综合考虑）又可以从STEM的角度进一步探讨工业合成氨生产中涉及的STEM要素。因此本课题是一节将学科知识和生产实际相结合的重要内容，是充分渗透STEM理念的一节内容。围绕“人工固氮技术—合成氨”的内容，从STEM四个维度出发，本节教学设计以“任务为主线，教师为主导、学生为主体”的教学方式呈现，教师在某一种教学情境下提出问题，将STEM学科知识整合到某一化学核心任务中，学生以小组合作的方式运用STEM四方面的知识思考、讨论与交流，从而解决化学问题，并最终获得相应的科学知识。学生在解决问题的过程中，教师发挥指导、检查、监督和评价作用。

任务一：合成氨的反应原理

【PPT导课】展示氮在自然界的循环图。教师根据PPT上的内容对合成氨反应的意义以及在生产生活中的重要作用进行阐述，培养学生的科学精神和社会责任同时自然而然引出本节课学习内容。学生通过回顾《化学1》涉及的氮及其化合物的相关知识，对合成氨工业的基本原理能够熟练掌握，并学会利用数学思维对可逆反应是否自发进行判断，从而突出化学作为自然科学中的一员，其基本知识及原理对解决工程问题的重要指导作用。

任务二：探索合成氨的最佳条件

【小组合作探究】学生以小组为单位，结合表格中的相关数据，根据影响反应速率的因素和勒夏特列原理分析讨论合成氨工业适宜的反应条件。

根据根据影响反应速率的因素和勒夏特列原理思考选择合成氨的条件时，是不是压强越高、温度越低越好？在实际生产中怎样选择合成氨的最佳条件？引导学生从工程的角度思考理论知识和实际生产如何有效结合。从而得出需要根据实际情况选择适宜的压强跟温度。此外为提高反应速率还需要加入催化剂，目前，合成氨工业普遍使用以活性铁为主的多组分催化剂，又称铁触媒。铁触煤在500℃左右活性最大。综合考虑以上因素，实际生产中合成氨的适宜条件是温度在500℃左右，压强在20～50MPa之间，并以铁触媒为催化剂。

任务三：合成氨的基本生产过程

【设疑】如何获得合成氨的原料气？空气中有充足的氮气，可以通过液化空气再蒸发分离出氧气获取氮气，那么要通过什么工艺和技术来获取氢气呢？请从资源、能耗、成本、设备、环境等方面综合考虑以下三种方案，选出最佳合成途径。

方案一：电解水制取氢气。

方案二：由煤或焦炭制取氢气，原理为C+H2O=CO+H2。

方案三：由天然气制取氢气：CH4+H2O=CO+3H2;

制备好原料气后，还需将原料气进行净化处理，以除去制备原料气过程中产生的CO、CO2、O2、H2S等杂质气体，一是为了得到纯净的原料气，二是为了减少对空气的污染。

【PPT投影】合成氨生产简易流程图和合成塔内部构造示意图。净化后的原料气经过压缩机压缩至高压，进入氨合成塔，氮气与氢气在高温、高压和催化剂的作用下合成氨。为得到氨气，需将混合气体中的氨冷却使其液化，然后分离出来，剩余的氢气与氮气重新送到合成塔继续反应。

任务四：合成氨工业的发展

自1913年世界上第一座合成氨厂投产以来，合成氨工业不断发展，我们学习的只是合成氨知识库中的冰山一角。假如你是一名合成氨工厂的厂长，为了更好地发展合成氨工厂，你还具备合成氨的哪些知识？请结合合成氨的发展史、原料气的净化工艺和技术、催化剂的改进、合成氨工艺所带来的环境问题等方面查阅相关资料，课后同学之间分享。

平凉市教育科学规划课题：新高考下STEM理念在中学化学实验教学中的应用研究课题编号：【2019】PLG165